12 V(실효값), 50 Hz 전원의 내부 임피던스는 Zs = 50 + j6 Ω이다. 부하 임피던스 ZL은(는) 자유롭게 선택할 수 있다. 부하에 전달할 수 있는 최대 유효 전력 Pmax을(를) 구하시오.
Vs = 12 V (rms)f = 50 HzZs = 50 + j6 Ω
Pmax = W
13.3상 전력보통
상당 임피던스가 4 + j3 Ω인 평형 Y 결선 부하가 선간 전압 400 V의 평형 3상 전원에 연결되어 있다. 부하가 흡수하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 400 VZ = 4 + j3 Ω 상당
P = kW
14.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 480 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.7(지상)로 120 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.92(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Y 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.
P = 120 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.92VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.변압기보통
출력 저항이 80 Ω인 증폭기가 이상 변압기를 통해 5 Ω 스피커를 구동한다. 최대 전력 전달을 위해 증폭기에서 본 스피커는 80 Ω으로 보여야 한다. 권수비 a = N₁/N₂을(를) 구하시오.
Rs = 80 ΩRL = 5 Ω
a =
16.변압기어려움
단상 50 kVA 변압기의 철손은 150 W이고 정격 부하에서의 동손은 375 W이다. 이 변압기가 정격 kVA의 25%를 역률 0.8(지상)로 공급한다. 이 부하에서의 전체 손실 Ploss을(를) 와트 단위로 구하시오.
1차 과도 현상: 커패시터나 인덕터가 하나인 회로에서 모든 전압과 전류는 초기값에서 최종값으로 지수적으로 변합니다: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC 또는 τ = L/R. 약 5τ 뒤에 회로가 정상 상태가 됩니다.
초기 커패시터 전압
정상 상태에서 커패시터는 개방 회로이므로 R₁과 R₂가 전압 분배기를 이룹니다. 스위치가 열릴 때 커패시터 전압은 급변할 수 없습니다.
vC(0) = 15·10/(2.2 + 10) = 12.3 V
스위치가 열린 뒤의 시정수
τ = R2·C = 10·68 = 680 ms
방전
vC(t) = 12.3·e−250/680 = 8.513 V
답
vC = 8.513 V
9.교류 임피던스와 페이저
답: φ = 17.66 °
페이저를 이용한 교류 회로: 저항, 인덕터, 커패시터의 임피던스는 R, jωL, 1/(jωC)이며 ω = 2πf입니다. 직렬에서는 임피던스를 저항처럼 더하되 복소수로 계산합니다. 실효 전류와 전압은 |Z|를 쓴 옴의 법칙을 따릅니다.
리액턴스
XL = ωL = 2π·200·0.15 = 188.5 Ω
가지 전류
두 가지 모두 전원에 바로 연결되어 있으므로 각각 전체 전압 V를 받습니다.
IR = V/R = 120/60 = 2 A
IX = V/XL = 120/188.5 = 0.6366 A
전체 전류
저항 전류는 V와 동상이고 리액턴스 전류는 90° 위상차가 있으므로 직각삼각형의 변처럼 더해집니다.
I = √(IR² + IX²) = √(2² + 0.6366²) = 2.099 A
위상각
인덕터 전류는 V보다 뒤지므로 전체 전류도 뒤지고 각은 양수입니다.
φ = arctan(IX/IR) = arctan(0.6366/2) = 17.66°
답
φ = 17.66°
10.교류 임피던스와 페이저
답: VL = 5.157 V
페이저를 이용한 교류 회로: 저항, 인덕터, 커패시터의 임피던스는 R, jωL, 1/(jωC)이며 ω = 2πf입니다. 직렬에서는 임피던스를 저항처럼 더하되 복소수로 계산합니다. 실효 전류와 전압은 |Z|를 쓴 옴의 법칙을 따릅니다.
공진
공진에서는 리액턴스가 상쇄되므로 임피던스는 R뿐입니다.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.005·0.47·10⁻⁶) = 20628 rad/s
I = V/R = 1/20 = 0.05 A
인덕터 양단의 전압
XL = ω₀L = 20628·0.005 = 103.1 Ω
VL = I·XL = 0.05·103.1 = 5.157 V
답
VL = 5.157 V
이는 전원 전압의 Q = 5.157배입니다.
11.교류 전력과 역률
답: cos φ = 0.6688
교류 전력: 피상 전력 S = V·I (VA)는 유용한 일을 하는 유효 전력 P = S·cos φ (W)와, 전원과 부하 사이를 오가는 무효 전력 Q = S·sin φ (var)로 나뉩니다. 역률은 cos φ입니다. 병렬 커패시터가 무효 전력을 현장에서 공급하므로 같은 유효 전력에서 선전류가 줄어듭니다.
각 부하의 무효 전력
지상 부하는 무효 전력을 소비하고(Q > 0), 진상 부하는 무효 전력을 공급합니다(Q < 0).
Q1 = 26·tan(arccos 0.6) = 34.67 kvar
Q2 = −4·tan(arccos 0.95) = −1.315 kvar
합계
P = 26 + 4 = 30 kW
Q = 34.67 + (−1.315) = 33.35 kvar
S = √(30² + 33.35²) = 44.86 kVA
전체 역률
cos φ = P/S = 30/44.86 = 0.6688 지상
답
cos φ = 0.6688
12.교류 전력과 역률
답: Pmax = 0.72 W
교류 전력: 피상 전력 S = V·I (VA)는 유용한 일을 하는 유효 전력 P = S·cos φ (W)와, 전원과 부하 사이를 오가는 무효 전력 Q = S·sin φ (var)로 나뉩니다. 역률은 cos φ입니다. 병렬 커패시터가 무효 전력을 현장에서 공급하므로 같은 유효 전력에서 선전류가 줄어듭니다.
켤레 정합
부하 리액턴스는 전원 리액턴스를 상쇄하고, 부하 저항은 전원 저항과 같습니다.
ZL = Zs* = 50 − j6 Ω
최대 전력
I = Vs/(2Rs) = 12/100 = 0.12 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 12²/(4·50) = 0.72 W
답
Pmax = 0.72 W
13.3상 전력
답: P = 25.6 kW
평형 3상 계통: Y(성형) 결선에서는 선간 전압이 상전압의 √3배, VL = √3·Vph이고, 선전류는 상전류와 같습니다. Δ(삼각) 결선에서는 선간 전압이 상전압과 같고 선전류는 상전류의 √3배, IL = √3·Iph입니다. 전체 전력은 한 상 전력의 세 배입니다: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
상전압
Vph = 400/√3 = 230.9 V
상전류
|Z| = √(4² + 3²) = 5 Ω
Iph = 230.9/5 = 46.19 A
전체 유효 전력
각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.
P = 3·Iph²·R = 3·46.19²·4 = 25.6 kW
답
P = 25.6 kW
확인: cos φ = R/|Z| = 0.8이고, √3·VL·IL·cos φ도 같은 전력을 줍니다.
14.3상 전력
답: Cph = 985.1 µF
평형 3상 계통: Y(성형) 결선에서는 선간 전압이 상전압의 √3배, VL = √3·Vph이고, 선전류는 상전류와 같습니다. Δ(삼각) 결선에서는 선간 전압이 상전압과 같고 선전류는 상전류의 √3배, IL = √3·Iph입니다. 전체 전력은 한 상 전력의 세 배입니다: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. 역률 개선: 커패시터는 무효 전력을 부하 가까이에서 공급합니다, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). 세 커패시터는 각각 QC/3 = V²·ω·C를 공급하며, 여기서 V는 그 커패시터에 걸리는 전압으로 Δ 뱅크에서는 VL, Y 뱅크에서는 VL/√3입니다.
이상 변압기: 전압은 권수의 비를, 전류는 그 역비를 따릅니다: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a, I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a이므로 입력 전력과 출력 전력이 같습니다, V₁·I₁ = V₂·I₂. 2차 측의 부하 임피던스 Z는 1차 측에서 보면 a²·Z로 보입니다.
환산 부하 정합
a²·5 = 80
a = √(80/5) = √16 = 4
답
a = 4
16.변압기
답: Ploss = 173.4 W
변압기 손실: 철손(히스테리시스손과 와전류손)은 전압에 따라 정해지며 부하와 관계없이 일정합니다. 권선의 동손은 전류의 제곱에 비례하므로 정격 부하의 x배 부하에서는 x²·Pcu,fl입니다. 효율 η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu)이고, Pout = x·S·pf입니다. 효율은 동손이 철손과 같아지는 부하에서 최대가 됩니다.